重力坝

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重力坝主要是依靠坝体自重来抵抗水压力及其他外荷载,维持自身的稳定。重力坝的断面基本呈三角形,筑坝材料为混凝土或浆砌石。据统计重力坝在各种坝型中占有较大比重。目前界上最高的混凝土重力坝是瑞士的大狄克桑斯坝,坝高285m。

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重力坝

类型

重力坝通常根据坝的高度、筑坝材料、泄水条件和断面的结构型式进行分类。

(1)按坝的高度分类。重力坝按坝的最大高度(不包括小局部深度)分为低坝、中坝、高坝。坝高小于30m的为低坝,坝高30~70m的为中坝,坝高大于70m的为高坝。

(2)按筑坝材料分类。按坝体的建筑材料,重力坝分为混凝土重力坝和浆砌石重力坝。重要的和较高的重力坝,大都用混凝土建造,有浇筑的(常规的、埋石的)和碾压的之分。

(3)按泄水条件分类。一座重力坝往往是河床中部坝段溢流,其余坝段不溢流。其中溢流部分称为溢流坝段,不溢流部分则称为非溢流坝段。

(4)按坝的结构型式分类。重力坝按结构型式有实体重力坝、空腹重力坝和宽缝重力坝等之分。实体重力坝构造简单,对地形、地质条件适应性强;空腹和宽缝重力坝,也称非实体重力坝,都是为了有效地减小扬压力,较好地利用材料强度,以节省坝体工程量。

国内一些地方还发展了硬壳坝、填渣坝等坝型。硬壳坝是用干砌石或堆石代替实体重力坝内低应力部分的坝体,外包为浆砌块石或条石或混凝土的硬壳;填渣坝的作用原理与硬壳坝相同,却是在坝内留有空格或宽缝供填渣之用。

特点

重力坝的根本特点是,在巨大的水压力(静水压力、扬压力为主)作用下,主要依靠坝体自重产生的抗剪(滑)力来维持稳定(不移动、不倾倒、不浮起)。所以其基本剖面型式是固结于地基的三角形,上游面为铅直或稍有倾斜,具有重心低,底面大,应力小,稳定性最好的特点。

优点

重力坝之所以得到广泛采用,是因为它具有以下几方面的优点:

(1)安全可靠。重力坝剖面尺寸大,应力较低,筑坝材料强度高,耐久性好,因而抵抗水的渗漏、洪水漫顶、地震和战争破坏的能力都比较强。据统计,重力坝在各种坝型中失事率是较低的。

(2)对地形、地质条件适应性强。重力坝段类似于固结在地基的短悬臂梁,所以在任何形状的河谷都可以修建。因为坝基承担的压应力不高,所以对地基的要求也较低,当坝的高度不大时甚至可以修建在土基上。

(3)枢纽泄洪问题容易解决。重力坝可以做成溢流的,还可以设置坝身泄水孔(辅助泄洪),一般不用另设河岸式泄水道,枢纽布置紧凑。

(4)便于施工导流。在施工期间可以利用坝体缺口部位导流,从而节省导流通道工程量。

(5)施工方便。大体积混凝土,可以采用现代机械化施工,在放样、立模和混凝土浇筑方面都比较简便。

(6)结构作用明确。重力坝沿坝轴线用横缝分成若干坝段,各坝段独立工作,结构作用明确,应力分析和稳定计算都比较简单(可按平面问题计算)。

缺点

重力坝也存在下面一些缺点:

(1)坝体剖面尺寸大,水泥用量多,坝体应力普遍较低,材料强度不能充分发挥。

(2)施工期大体积混凝土的温度应力和收缩应力较大,对温度控制的要求较高。

(3)坝体与地基接触面积大,因而坝底的扬压力较大,对稳定不利。但现在能以碾压混凝土来改善和解决前两条缺点。

构成

重力坝主体通常由溢流坝段及坝顶建筑物、非溢流坝段及坝顶建筑物和坝内各种孔口构成(此处研究构成、构造,更符合由表及里、由浅入深、由粗到细、由整体布置到局部细拟的认知规律和设计思路)。

溢流坝段一般正对原主河床位置,有溢流面及两侧导流墙和尾部消能工;有闸控制的还要设闸墩、闸门、机架桥、启闭机和通行要求的交通桥等坝顶建筑物。非溢流坝段在溢流坝段两侧,与岸坡连接,有防浪墙等坝顶建筑物。

重力坝的轴线一般是直线,与河流流向近于正交。有时为了坝体坐落在较有利的位置上,坝轴线也可布置成折线或弧线或与河流流向斜交。但折点不宜太多,弯度不宜太大,交角不宜太小。上游坝面整体顺平,下游坝面各坝段顺平。

设在坝内的各种孔口有泄水、引水、放水孔及闸门和控制室,有交通的、检查的、灌浆的、排水的、观测的廊道等。主廊道一般沿坝轴线方向布置。

材料

1.石料

砌筑坝体常用的石料有乱毛石(片石)、块石和条石(料石)等数种。

乱毛石是料场岩石经爆破采得的形状不规则的石料,仅用于坝体次要部位。块石是由爆破采得的形状大致方正的石料,我国修建的浆砌石坝,多数采用块石砌筑。条石通常是由块石加工而成,一般用来砌筑上、下游坝面及溢流坝面等部位。砌筑坝体的石料,体积愈大愈节省胶结材料,砌体的强度也愈高,但应以运输上坝能力来确定。

2.胶结材料

我国修建浆砌石坝所采用的胶结材料有水泥砂浆、细石混凝土、混合砂浆和非水泥砂浆等。

3.混凝土

水工混凝土有浇筑的(常规的、埋石的)和碾压的。按其特性分成各种等级,比如强度等级、抗渗等级、抗冻等级、抗侵蚀性和抗磨性以及低发热量等特性指标。各种标号混凝土的各项指标,使用范围(坝体的部位)和使用条件等。

发展史

人类修建堰、坝已有数千年历史,重力坝是出现最早的一种坝型。早在公元前2900年,埃及便在尼罗河上修建了一座高15m、顶长240m的重力挡水坝。我国秦代50年里(公元前250—前219年)建造的三大水利工程:四川灌县都江堰的飞沙堰,陕西郑国渠渠首30m高的石笼坝,广西兴安县灵渠的砌石分水堰,都是溢流重力坝(古称“天平”)。其中的灵渠工程运行至今已2200多年,是世界上使用历史最久的重力坝。还有刚刚完成的举世瞩目的三峡大坝是当今世界上最大的实体混凝土重力坝,坝高181m,坝长2335m,混凝土2715万m3。1962年瑞士就建成了285m高的大狄克桑斯坝,为地球上重力坝坝高之最。